CN109142121A - 一种盾构刀具材料磨损实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：包括电动机、传动机构、主轴、液压缸、岩石和底座，所述电动机安装于所述底座上，所述电动机通过所述传动机构带动所述主轴转动；所述液压缸水平安装于所述底座上，所述主轴安装于所述液压缸内，所述主轴一端通过花键与所述传动机构连接，另一端上设置有刀盘；所述岩石通过岩石固定座固定于所述底座上，并靠近所述刀盘设置。本发明结构紧凑，系统完善，能够测量模仿盾构机工作过程中产生的各个物理量。

Description

一种盾构刀具材料磨损实验台

技术领域

本发明涉及盾构机刀具设计技术领域，具体涉及一种盾构刀具材料磨损实验台。

背景技术

随着盾构技术的不断进步以及隧道施工对盾构装备复杂性提出更高要求，研制技术更先进、性能更可靠的盾构机已成为未来盾构技术发展的必然趋势。因此，作为研制基础的盾构模拟试验台正朝着大规模、多功能、综合性、灵活性的方向发展。

盾构滚刀布置和滚刀类型的选择是盾构机设计的重要内容之一。滚刀的布置方法及滚刀的形状是否适合工程的地质条件，直接影响盾构的切削效果和掘进速度。采用盾构法施工必须分析和研究滚刀的使用性能和磨损规律，并根据实际工况对施工参数等进行必要修正，或者根据施工地层的特点重新选配活研制更适合的滚刀，以便获得更高的掘进速度，创造更好的经济效益。

滚刀因磨损引起刀刃缺损或者脱落时必须进行更换，滚刀的磨损量受施工法、土质、滑动距离、滚刀形状、滚刀材质、推进速度、刀盘转速等因素影响。

因此，针对盾构滚刀工作状态，设计一种盾构刀具材料磨损试验台，并实现关键数据的采集，成为现在亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构刀具材料磨损试验台，以解决上述现有技术存在的问题，结构紧凑，系统完善，能够测量模仿盾构机工作过程中产生的各个物理量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种盾构刀具材料磨损试验台，包括电动机、传动机构、主轴、液压缸、岩石和底座，所述电动机安装于所述底座上，所述电动机通过所述传动机构带动所述主轴转动；所述液压缸水平安装于所述底座上，所述主轴安装于所述液压缸内，所述主轴一端通过花键与所述传动机构连接，另一端上设置有刀盘；所述岩石通过岩石固定座固定于所述底座上，并靠近所述刀盘设置。

优选的，所述传动机构包括第一带轮、传送带和第二带轮，所述第一带轮与所述电动机连接，所述第二带轮与所述第一带轮通过所述传送带连接，所述第二带轮通过花键与所述主轴连接。

优选的，所述液压缸包括有套筒、液压缸壁和移动内套，所述套筒的一端固定于所述底座上，另一端与所述液压缸壁固定连接，所述套筒与液压缸壁围成一个腔体；所述移动内套设置于所述腔体内，所述主轴设置于所述移动内套内，并贯穿所述移动内套；所述液压缸壁与所述移动内套之间设置有一移动活塞，所述液压缸壁的一端开设有第一油口，另一端开设有第二油口。

优选的，所述主轴与所述移动内套的两端均通过深沟球轴承和止推球轴承连接；所述移动活塞通过密封件与所述液压缸壁、移动内套密封连接。

优选的，所述液压缸壁与所述套筒的连接处设置有一液压缸端盖，所述套筒、液压缸端盖和液压缸壁通过螺栓进行固定连接，所述液压缸壁远离所述套筒的一端设置有法兰；所述套筒的上下两侧分别设置有一个拉杆，所述拉杆的一端穿过所述套筒固定于所述底座上，另一端与所述法兰固定。

优选的，所述移动内套的外侧壁上还设置有固定环和环状凸起，所述固定环和所述环状凸起分别设置于所述移动活塞的两侧，用于对所述移动活塞进行限位。

优选的，所述刀盘上设置有四个滚刀，四个所述滚刀沿圆周均布，四个所述滚刀分别通过一转轴与所述刀盘转动连接，所述滚刀通过圆锥滚子轴承与所述转轴连接。

优选的，所述岩石固定座通过支撑座固定于所述底座上，所述岩石固定座的上部通过S型拉压力传感器与所述支撑座连接，下部通过两个滚动轴与所述支撑座连接。

优选的，所述支撑座的后侧还连接有静态扭矩传感器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明盾构刀具磨损实验台是一款结构紧凑，系统完善，能够测量模仿盾构机工作过程中产生的各个物理量的实验台，包括刀盘推进力和扭力的实时测量，刀具与岩石摩擦力的测量等；采用了液压缸通过套筒传递动力给主动轴进行推进，在岩石固定座后方运用三点支撑的方法测量力，使结构更加紧凑简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明盾构刀具材料磨损试验台的结构示意图；

图2为本发明液压缸的结构示意图；

图3为本发明液压进给系统控制原理图；

图4为本发明刀盘的结构示意图；

图5为本发明传感器安装结构示意图；

图6为本发明S型拉压力传感器装配图；

图7为本发明双法兰静态扭矩传感器装配图；

其中，1、电动机；2、第一带轮；3、传送带；4、底座；5、花键；6、第二带轮；7、液压缸；8、主轴；9、刀盘；10、岩石；11、岩石固定座；12、支撑座；13、S型拉压力传感器；15、双法兰静态扭力传感器；71、套筒；72、深沟球轴承；73、止推球轴承；74、拉杆；75、液压缸端盖；76、液压缸壁；77、密封件；78、移动活塞；79、移动内套；710、法兰；711、固定环；712、第一油口；713、第二油口；41、滚刀；42、转轴；43、圆锥滚子轴承；141、三位四通电磁换向阀；142、二位二通电磁换向阀；143、调速阀；144、二位三通电磁换向阀；145、146、147-溢流阀；148、液压泵；149、过滤器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种盾构刀具材料磨损试验台，以解决上述现有技术存在的问题，结构紧凑，系统完善，能够测量模仿盾构机工作过程中产生的各个物理量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种盾构刀具材料磨损试验台，包括电动机1、传动机构、主轴8、液压缸7、岩石10和底座4，电动机1安装于底座4上，电动机1通过传动机构带动主轴8转动，主轴8材料选用45号钢，并经过调质处理后HB要达到240左右；液压缸7水平安装于底座4上，主轴8安装于液压缸7内，主轴8一端通过花键5与传动机构连接，另一端贯穿液压缸7并且设置有刀盘9；岩石10通过岩石固定座11固定于底座4上，并靠近刀盘9设置。

本实施例中传动机构包括第一带轮2、传送带3和第二带轮6，第一带轮2与电动机1的驱动轴连接，电动机1通过驱动轴带动第一带轮2转动；第二带轮6与第一带轮2通过传送带3连接，第二带轮6位于第一带轮2的正下方，其直径大于第一带轮2，第二带轮6通过花键5与主轴8连接。

本实施例盾构刀具磨损试验台工作过程：

盾构刀具磨损试验台通过电动机1提供动力，经过第一带轮2、传送带3、第二带轮6将动力传递到主轴8，主轴8和第二带轮6之间的连接方式采用长花键5连接，能够保证主轴8在移动过程中，依然能够保持旋转，液压缸7推动主轴8移动，实现刀盘9旋转和移动两个运动，与岩石10接触，模拟盾构机滚刀41工作。由于给定的贯入度不大，为1-5mm，因此，在刀盘9的设计只需保证在模拟工作过程中，刀盘9与岩石10不会发生接触，从而磨损刀盘9。

主轴8和第二带轮6之间的连接方式采用长花键5连接，花键5由带有多个键齿的轴和毂孔构成，齿侧面为工作面，可以用于静联接和动联接，与键联接相比，花键联接有更高的承载能力，较好的定心性和导向性；可实现滑动联接；对轴的削弱也较小。

盾构刀具磨损实验台的工作原理：

恒压力状态：实验台在工作时，液压缸7能够提供恒定的推力。主轴8一直处于旋转并前进的状态，带动刀盘9一起掘进工作。

恒速状态：实验台工进时液压缸7的推进速度保持不变。此种工况下，其速度大小可以由电液比例压力流量阀来控制，通过模拟量放大和数据反馈来达到平衡。主轴8一直处于旋转状态，带动刀盘9一起旋转工作。

恒切深状态：即工进到一定距离后将液压缸7锁紧，由主轴8带动刀盘9旋转，进行切削。

如图2所示，本实施例中液压缸7包括有套筒71、液压缸壁76和移动内套79，套筒71的一端固定于底座4上，另一端与液压缸壁76固定连接，套筒71与液压缸壁76围成一个腔体；移动内套79设置于腔体内，主轴8设置于移动内套79内，并贯穿移动内套79；液压缸壁76与移动内套79之间设置有一移动活塞78，液压缸壁76的一端开设有第一油口712，另一端开设有第二油口713，第一油口712和第二油口713分别设置于移动活塞78的两侧。

主轴8与移动内套79的两端均通过深沟球轴承72和止推球轴承73连接，深沟球轴承72和止推球轴承73嵌于移动内套79内壁；移动活塞78通过密封件77与液压缸壁76、移动内套79密封连接，密封件77可以采用O型密封圈，采用橡胶材料制成，也可以采用其他符合要求的密封件77。

液压缸壁76与套筒71的连接处设置有一液压缸端盖75，套筒71、液压缸端盖75和液压缸壁76通过螺栓进行固定连接，液压缸壁76远离套筒71的一端设置有液压缸盖，液压缸盖通过法兰710与液压缸7连接，法兰710盘连接的结构较为简单，方便加工和装卸，液压缸盖密封采取组合式U型密封，并且在缸盖内侧加非金属材料导向环和防尘圈。套筒71的上下两侧分别设置有一个拉杆74，拉杆74的一端穿过套筒71前端设置的凸缘固定于底座4上，另一端与法兰710固定。

移动内套79的外侧壁上还设置有固定环711和环状凸起，固定环711和环状凸起分别设置于移动活塞78的两侧，用于对移动活塞78进行限位。

当需要向右推进时，第一油口712进油，推动移动活塞78向右移动，第二油口713出油，在移动活塞78的作用下，移动内套79向右移动，经止推球轴承73和深沟球轴承72，将液压推理作用在主轴8上，从而主轴8向右移动。同理，当需要向左移动时，第二油口713进油，第一油口712出油，液压推理经过移动活塞78固定环711-移动内套79-止推球轴承73-深沟球轴承72-主轴8，从而实现主轴8左移。

本实施例对液压缸7的结构进行改进，在保证完成两个运动的前提下，使试验台的整体结构尽量简单，同时保证结构的合理性。

盾构刀具材料磨损实验台要完成快进、工进和快退的工作循环。液压缸7连接有液压进给系统，快进和工进时，液压缸7上腔通过第一油口进油，下腔通过第二油口出油，而快退时液压缸7下腔进油上腔出油，因而液压控制时只需要一次换向，系统工进完后，需要定时停留，换向阀选择具有中位封闭功能的三位四通电磁换向阀。因为快进快退和工进时的速度不一样，设置调整装置。调整装置选择进口节流调整，该调整装置具有较好的低速稳定性和速度负载特性，液压泵选用单向定量液压泵。

如图3所示，快进工作时，液压系统启动，电磁铁1Y得电，三位四通电磁换向阀141接入左位，液压泵148供油经过二位二通电磁换向阀142进入液压缸7上腔，回油经过三位四通电磁换向阀141左位、二位三通电磁换向阀144以及溢流阀145回油箱。

工进工作时，电磁铁1Y、3Y和4Y得电，三位四通电磁换向阀141接入左位，二位二通电磁换向阀142接入左位，二位三通电磁换向阀144位入左位，液压泵148供油经过调整阀143进入液压缸77上腔部分，回油经过三位四通电磁换向阀141、二位三通电磁换向阀145和溢流阀146回到油箱。

主轴8停留工作时，三位四通电磁换向阀141处于中位，液压泵148供油在达到一定压力的条件下回到油箱，此时液压系统处于稳定平衡状态。停留时间由PLC控制。

快退时工作，电磁铁2Y得电，三位四通电磁换向阀141接入右位，液压泵148供油到液压缸7下腔，回油经过二位二通电磁换向阀142、三位四通电磁换向阀141、二位三通电磁换向阀144和溢流阀145回到油箱。

工作循环过程中电磁铁动作如下表所示：

如图4所示，刀盘9上设置有四个滚刀41，四个滚刀41沿圆周均布，四个滚刀41分别通过一转轴42与刀盘9转动连接，滚刀41通过圆锥滚子轴承43与转轴42连接。滚刀41在实际工作时，既会绕刀盘9中心旋转，同时自身转轴42旋转；同时，为了增加试验台的工作效率，在进行盾构滚刀41材料磨损试验时，可同时对四把滚刀41进行磨损试验，提高试验效率，节省试验时间。

如图5所示，岩石固定座11通过支撑座12固定于底座4上，岩石固定座11的上部通过S型拉压力传感器13与支撑座12连接，下部通过两个滚动轴与支撑座12连接。如图6所示，S型拉压力传感器13，型号为CTY-202，具有高精度，零漂移，量程宽，抗偏载能力强等特点，且固定方式简单，选用的量程为20-30KN，完全在推进力的范围内。当实验台工作时，刀盘9向右掘进，岩石固定座11受到推进力的作用会向后方传递，此时，岩石固定座11后方的传感器以及下方两个滚动轴的三点支撑，使得推进力能够通过传感器显示出来，从而测得。

支撑座12的后侧还连接有静态扭矩传感器，如图7所示，扭力传感器为双法兰710静态扭力传感器15，型号为MC10E，量程为0-30NM，采用合金钢材质，双法兰710小柱式结构设计，体积小，重量轻，便于安装，法兰710盘一侧用于固定传感器，另一侧用来扭转测扭力，广泛应用于试验机，扭矩扳手，阀门，轴承等转角度小于360度的相关扭力测试设备。通过测得的扭力，可以算出石块材料的表面粗糙度，从而可得到滚刀41工作的摩擦力大小。

本发明盾构刀具磨损实验台是一款结构紧凑，系统完善，能够测量模仿盾构机工作过程中产生的各个物理量的实验台，包括刀盘推进力和扭力的实时测量，刀具与岩石摩擦力的测量等；采用了液压缸通过套筒传递动力给主动轴进行推进，在岩石固定座后方运用三点支撑的方法测量力，使结构更加紧凑简单。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：包括电动机、传动机构、主轴、液压缸、岩石和底座，所述电动机安装于所述底座上，所述电动机通过所述传动机构带动所述主轴转动；所述液压缸水平安装于所述底座上，所述主轴安装于所述液压缸内，所述主轴一端通过花键与所述传动机构连接，另一端上设置有刀盘；所述岩石通过岩石固定座固定于所述底座上，并靠近所述刀盘设置。

2.根据权利要求1所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述传动机构包括第一带轮、传送带和第二带轮，所述第一带轮与所述电动机连接，所述第二带轮与所述第一带轮通过所述传送带连接，所述第二带轮通过花键与所述主轴连接。

3.根据权利要求2所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述液压缸包括有套筒、液压缸壁和移动内套，所述套筒的一端固定于所述底座上，另一端与所述液压缸壁固定连接，所述套筒与液压缸壁围成一个腔体；所述移动内套设置于所述腔体内，所述主轴设置于所述移动内套内，并贯穿所述移动内套；所述液压缸壁与所述移动内套之间设置有一移动活塞，所述液压缸壁的一端开设有第一油口，另一端开设有第二油口。

4.根据权利要求3所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述主轴与所述移动内套的两端均通过深沟球轴承和止推球轴承连接；所述移动活塞通过密封件与所述液压缸壁、移动内套密封连接。

5.根据权利要求4所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述液压缸壁与所述套筒的连接处设置有一液压缸端盖，所述套筒、液压缸端盖和液压缸壁通过螺栓进行固定连接，所述液压缸壁远离所述套筒的一端设置有法兰；所述套筒的上下两侧分别设置有一个拉杆，所述拉杆的一端穿过所述套筒固定于所述底座上，另一端与所述法兰固定。

6.根据权利要求5所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述移动内套的外侧壁上还设置有固定环和环状凸起，所述固定环和所述环状凸起分别设置于所述移动活塞的两侧，用于对所述移动活塞进行限位。

7.根据权利要求1或6所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述刀盘上设置有四个滚刀，四个所述滚刀沿圆周均布，四个所述滚刀分别通过一转轴与所述刀盘转动连接，所述滚刀通过圆锥滚子轴承与所述转轴连接。

8.根据权利要求7所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述岩石固定座通过支撑座固定于所述底座上，所述岩石固定座的上部通过S型拉压力传感器与所述支撑座连接，下部通过两个滚动轴与所述支撑座连接。

9.根据权利要求8所述的盾构刀具材料磨损试验台，其特征在于：所述支撑座的后侧还连接有静态扭矩传感器。